超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展

1、超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展2015年年06月月04日日國家高效磨削工程技術(shù)研究中心國家高效磨削工程技術(shù)研究中心湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院超硬磨料磨具是指用人造成金剛石或立方氮化硼（CBN）超硬磨料所制成的磨具,系磨具另一大系列。硬度高 磨損少 磨削質(zhì)量高金剛石砂輪CBN傳統(tǒng)傳統(tǒng)超硬磨料砂輪的修整超硬磨料砂輪的修整超硬超硬磨料磨料砂輪砂輪修銳修銳游離磨粒擠游離磨粒擠軋修銳法軋修銳法剛玉塊切入剛玉塊切入修銳法修銳法磨削修銳法磨削修銳法液壓噴射修銳法液壓噴射修銳法噴射修銳法噴射修銳法電解修銳法電解修銳法實(shí)例：油石（綠實(shí)例：油石（綠碳化硅）修銳碳

2、化硅）修銳實(shí)例：電火花修實(shí)例：電火花修銳鑄鐵基金剛銳鑄鐵基金剛石砂輪石砂輪超硬磨料磨具修整技術(shù)的超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展新進(jìn)展超硬超硬磨料磨料磨具磨具修整修整技術(shù)技術(shù)的新的新進(jìn)展進(jìn)展磨削修整法的改進(jìn)磨削修整法的改進(jìn)-GC-GC杯形砂輪研磨修整法杯形砂輪研磨修整法彈性修整法彈性修整法在線電解修整法（在線電解修整法（ELIDELID）激光修銳法激光修銳法簡易雙電極在線修銳法簡易雙電極在線修銳法超聲波振動(dòng)修整法超聲波振動(dòng)修整法文獻(xiàn)補(bǔ)充文獻(xiàn)補(bǔ)充實(shí)例：實(shí)例： ELID磨磨削氧化膜厚度削氧化膜厚度及砂輪修銳研及砂輪修銳研究究超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展1.1.磨削修整法的改

3、進(jìn)磨削修整法的改進(jìn)-GC-GC杯形砂輪研磨修整法杯形砂輪研磨修整法1）修整裝置結(jié)構(gòu)）修整裝置結(jié)構(gòu) 如圖，杯形砂輪修整器的修整砂輪安裝在修整軸的一端，另一端安裝有一帶輪，靠小型電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)使砂輪旋轉(zhuǎn)。修整時(shí)，把修整器固定在磁力工作臺上，保持GC杯形砂輪回轉(zhuǎn)軸與工作臺垂直，該回轉(zhuǎn)軸與工作臺的垂直度可以通過修整器上的3對調(diào)節(jié)螺釘來校正。 2）修整機(jī)理）修整機(jī)理 GC杯形砂輪修整器修整金剛石砂輪過程中，從杯形砂輪上脫落下來的磨粒對金剛石磨粒和結(jié)合劑的沖擊以及研磨作用沖擊以及研磨作用從而產(chǎn)生修整效果。GC代表材料，指綠碳化硅超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展 該杯形砂輪修整器與單點(diǎn)和

4、多點(diǎn)金剛石筆形砂輪修整器以及制動(dòng)修整器相比較有如下特點(diǎn)：單點(diǎn)和多點(diǎn)金剛石筆的修整效率比較高，但修整后砂輪的磨削性能比較差；制動(dòng)式修整器修整后，砂輪的磨削性能雖然比較好，但修整后砂輪的偏心量難以完全清楚。而采用GC杯形砂輪修整器，在修整效果和效率兩方面均能獲得滿意的結(jié)果。 下圖所示為使用單點(diǎn)和多點(diǎn)金剛石筆、制動(dòng)式修整器和GC杯形砂輪修整器的修整次數(shù)及偏心量的關(guān)系。 3）修整特點(diǎn)）修整特點(diǎn)超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展2.2.在線電解修整法（在線電解修整法（ELIDELID） 在線電解修銳法簡稱ELID法(Electrolytic in -process Dressing

5、)。ELID修銳法是近年來金屬結(jié)合劑類超硬磨料修整技術(shù)的一項(xiàng)新成就，由日本理化研究所大森(HOhmori)教授研制成功的。利用ELID法在線修銳金剛石砂輪磨削硅片陶瓷或其他超硬材料，目前已可以達(dá)到鏡面的加工水平。）裝置）裝置砂輪、電源裝置（包括正負(fù)電極）、電解液（磨削液）等。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展2）修銳原理）修銳原理 在線電解修銳原理如下圖所示。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展3）ELID磨削的特點(diǎn)及應(yīng)用磨削的特點(diǎn)及應(yīng)用 9裝置簡單、適應(yīng)性廣裝置簡單、適應(yīng)性廣磨削過程穩(wěn)定可控磨削過程穩(wěn)定可控防止砂輪過度電解防止砂輪過度電解實(shí)現(xiàn)鏡面磨削

6、實(shí)現(xiàn)鏡面磨削ELID磨削的磨削的特點(diǎn)及特點(diǎn)及應(yīng)用材應(yīng)用材料料工程陶瓷工程陶瓷光學(xué)材料光學(xué)材料硬質(zhì)合硬質(zhì)合金、單金、單晶硅等晶硅等磨削效率高磨削效率高砂輪保持良好狀態(tài)，磨削熱磨削力小在線修銳絕緣層，動(dòng)態(tài)平衡表面容納磨削液，去除切屑非球面透鏡10抑制作用抑制作用彈性緩沖作用彈性緩沖作用固結(jié)磨粒和容屑作用固結(jié)磨粒和容屑作用研磨拋光作用研磨拋光作用修銳時(shí)，當(dāng)氧化膜的厚度達(dá)到一定程度，其導(dǎo)電性降低，抑制砂輪過度電解，延長超硬磨粒砂輪的使用壽命。固結(jié)游離磨粒的作用，另外又因?yàn)槠溆捕冗h(yuǎn)低于金屬結(jié)合劑，分布在脫出 磨粒之間，能起到一定的容屑作 用，并 隨著氧化膜的生成與 去處及時(shí)排屑。氧化膜位于砂輪和工件之間

7、，起到彈性緩沖作用，大大降低了砂輪磨削力，在一定范圍內(nèi)消除砂輪的圓度誤差，有利于表面質(zhì)量的提高。 氧化膜是一種含有微細(xì)磨料具有 良好柔性的研磨膜，精磨階段，對已加工工件表面有的研磨拋光作用，有助于改善工件的表面加工質(zhì)量。氧化膜特性氧化膜特性的體現(xiàn)的體現(xiàn)超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展4）ELID磨削氧化膜厚度及砂輪修銳研究磨削氧化膜厚度及砂輪修銳研究電解電極裝置 名稱參數(shù)值輸出峰值電壓60V、90V、120V三檔輸出電流最大峰值電流，三路可選通工作方式輸出脈沖方式 頻率可調(diào)的方波脈沖高電平寬度2100s可調(diào)低電平寬

8、度2100s可調(diào)電源輸入三相AC380V 10V，50Hz本研究選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)提供的ELID磨削專用電解液，呈弱堿性，使用時(shí)稀釋比為1:50。臺灣鉆石工具公司生產(chǎn)的小直徑鑄鐵結(jié)合劑金剛石坐標(biāo)磨砂輪，砂輪直徑為25mm和30mm，粒度有W3.5，W10和W30。砂輪周邊開槽。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展HD-MY-10型超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展開始評估特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證因子選擇配置正交表計(jì)算信噪比信噪比分析方差分析最優(yōu)參數(shù)水平選擇性能檢驗(yàn)結(jié)論YesNoNoYes 評估特性評估特性 信號能量與噪聲能量的比值稱為信噪比(S/N)，其值越大，表

9、示產(chǎn)品受噪聲因素干擾越小,，產(chǎn)品質(zhì)量越好。在信噪比的評估中，可分為望大、望小及望目三種特性。 本研究中氧化膜厚度越大，有助于其氧化膜特性的體現(xiàn)，其評價(jià)為望大特性；本研究采用氧化膜厚度和修銳時(shí)間的比值來間接衡量砂輪預(yù)修銳效率，比值越大，磨粒短時(shí)間內(nèi)獲得比較大的出刃高度而具有持續(xù)的鋒利性，所以修銳效果越好，其評價(jià)為望大特性。a.望小特性:品質(zhì)特性越小越好但非負(fù)值,換句話說,品質(zhì)特性的理想值是零；b.望大特性:品質(zhì)特性越大越好； c.望目特性:定出一目標(biāo)值,品質(zhì)特性越接近此目標(biāo)值越好。 超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展水平實(shí)驗(yàn)因素A:砂輪轉(zhuǎn)速/( rmin-1)B:脈沖頻率/

10、kHzC:占空比D:電源電壓/v16000100.36029000500.5903120001000.74150002000.9因子選擇因子選擇 實(shí)驗(yàn)考察鑄鐵基金剛石微粉砂輪預(yù)修銳過程中砂輪轉(zhuǎn)速、脈沖頻率、占空比和電源電壓這四個(gè)可控因素。另實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)電壓達(dá)到120V時(shí)，極間電流很大，砂輪被過度電解產(chǎn)生大量蝕坑，所以電源電壓選取60V、90V兩個(gè)水平，其他三個(gè)因子都取4個(gè)水平，如表所示。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展實(shí)驗(yàn)號實(shí)驗(yàn)因素輸出指標(biāo)A:砂輪轉(zhuǎn)速/(rmin-1)B:脈沖頻率/kHzC:占空比D:電源電壓/v11111氧化膜厚度/m修銳時(shí)間/min預(yù)修銳效率2122

11、131332414425212262212723418243193131103241113312123422134142144232154321164411配置正交表配置正交表 根據(jù)田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)將因素表構(gòu)建成田口混合水平正交表L16（342），對平衡狀態(tài)時(shí)氧化膜厚度、砂輪修銳時(shí)間以及預(yù)修銳效率作為輸出指標(biāo)，其設(shè)計(jì)如表所示。預(yù)修銳效率=氧化膜厚度/砂輪修銳時(shí)間超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展實(shí)驗(yàn)號實(shí)驗(yàn)方案氧化膜厚度/m氧化膜厚度（S/N）/dB修銳時(shí)間/min預(yù)修銳效率預(yù)修銳效率（S/N）/dB1A1B1C1D12929.2513.32.18-6.772A1B2C2D24

12、032.0416.52.42-7.693A1B3C3D27537.5017.04.41-12.894A1B4C4D29839.8220.04.90-13.805A2B1C2D24232.4618.02.33-7.366A2B2C1D23530.8818.51.89-5.547A2B3C4D15434.6519.02.84-9.078A2B4C3D14833.6217.32.77-8.869A3B1C3D14232.4614.52.90-9.2410A3B2C4D14533.0617.22.62-8.3511A3B3C1D24533.0618.02.50-7.9612A3B4D2C25033.9

13、817.02.94-9.3713A4B1C4D24032.0416.52.42-7.6914A4B2C3D24733.4417.52.69-8.5815A4B3C2D12327.2315.31.50-3.5416A4B4C1D13129.8316.71.86-5.37計(jì)算信噪比計(jì)算信噪比望大特性的因子效果評價(jià)方程為：i2j=n1ij1110lognS NY 超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展水平氧化膜厚度（S/N）/dB預(yù)修銳效率（S/N）/dB砂輪轉(zhuǎn)速脈沖頻率占空比電源電壓砂輪轉(zhuǎn)速脈沖頻率占空比電源電壓134.6531.5530.7631.52-10.29-7.06-6

14、.41-7.36232.9032.3631.4334.15-7.71-7.54-6.99-9.15333.1433.1134.26-8.73-8.37-9.89430.6434.3134.89-6.30-9.35-9.73Delta4.022.764.142.633.991.813.481.79信噪比分析信噪比分析 根據(jù)圖中的Delta值的大小。 各因素對氧化膜厚度的影響程度為占空比砂輪轉(zhuǎn)速脈沖頻率電源電壓。 各因素對預(yù)修銳效率的影響程度為砂輪轉(zhuǎn)速占空比脈沖頻率電源電壓。占空比占空比:高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率Delta值，亦稱為對沖比率,相當(dāng)于計(jì)算影響因子。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)

15、展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展信噪比/dB 砂輪轉(zhuǎn)速/(rmin-1) 脈沖頻率/kHz 占空比 電源電壓/v (a) (b) (c) (d) 各因素對氧化膜厚度的信噪比效應(yīng)圖信噪比分析信噪比分析將上表中氧化膜厚度的信噪比水平響應(yīng)轉(zhuǎn)化成四個(gè)因素的信噪比效應(yīng)圖，如圖所示。研究表明氧化膜厚度的影響規(guī)律是：氧化膜厚度隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而趨向于減小，隨占空比、脈沖頻率及電源電壓的增大而增大。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展信噪比/dB 砂輪轉(zhuǎn)速/(rmin-1) 脈沖頻率/kHz 占空比 電源電壓/v (a) (b) (c) (d) 各因素對預(yù)修銳效率的信噪比效應(yīng)圖信噪比分析信噪

16、比分析 砂輪的預(yù)修銳效率由氧化膜的生成厚度和修銳時(shí)間所決定，修銳時(shí)間不僅跟氧化膜的生成率相關(guān)，也跟氧化膜的致密性以及金屬結(jié)合劑的去除速率相關(guān)。信噪比效應(yīng)圖表明砂輪預(yù)修銳效率的影響規(guī)律是：預(yù)修銳效率隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而趨向于降低，隨占空比的增大預(yù)修銳效率先升高后降低，預(yù)修銳效率隨脈沖頻率、電源電壓的增大而升高。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展 加工工件表面形貌圖預(yù)修銳開始階段：時(shí)間約為1min氧化膜形貌預(yù)修銳完成：時(shí)間約為17min的氧化膜表面形貌去除氧化膜加工工件表面形貌圖預(yù)修銳中期：時(shí)間約為5min的氧化膜表面形貌。信噪比分析信噪比分析根據(jù)以上分析得到的預(yù)修銳的最優(yōu)參數(shù)

17、為：電源電壓為90v，脈沖頻率為200KHz，占空比為0.7，砂輪轉(zhuǎn)速為6000r/min 。采W30的鑄鐵基金剛石微粉砂輪進(jìn)行預(yù)修銳，觀察其形成的氧化膜形貌如圖所示，修銳后取出表層氧化膜對工件進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化的參數(shù)更有助于獲得良好的氧化膜質(zhì)量，保證了ELID磨削的高質(zhì)、高效和高精度加工。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展ELIDT-ECDT-ECD工裝改進(jìn)和簡化:雙電極，交流電，可調(diào)變壓器特點(diǎn)：電極損耗小，電壓可調(diào)，專用/普通磨削液要求低，在線/非在線修銳，不可整形超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展原理：當(dāng)混油磨料注入CBN砂輪與修整元件之

18、間時(shí)，在旋轉(zhuǎn)砂輪的帶動(dòng)下通過砂輪與修整元件之間的“間隙”，在此過程中，修整磨料擠研超硬砂輪的結(jié)合劑而達(dá)到修整的目的。該修整法的關(guān)鍵是被修整的超硬磨料砂輪與修整元件在修整時(shí)能自動(dòng)選擇合適的擠壓力，并保持穩(wěn)定。該方法只能用于修銳。顫振效果不破壞形狀精度超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展 修整裝置如圖，主要由超聲波發(fā)生器、換能器、振幅放大桿和鋼板等組成。修整時(shí)，將超聲波振動(dòng)修整裝置調(diào)到諧振狀態(tài)，然后注入混油磨料。當(dāng)修整磨粒通過砂輪與修整元件之間時(shí)，利用修整元件傳遞的能量，有效地去除(擠研)CBN砂輪表面的結(jié)合劑，使CBN磨粒突出砂輪表面。由于這種方法采用了主動(dòng)的顫振方式，修整磨粒本身又帶有一定的能量，增強(qiáng)了對CBN砂輪結(jié)合劑的擠研作用，因此能得到良好的修整效果。超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展超硬磨料磨具修整技術(shù)的新進(jìn)展 激光修銳